JP2006098775A - 三次元画像表示システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 表示システムにおいては、複数の三次元画像表示装置が連接配置されている。第1及び第2の表示装置は、夫々表示面内にマトリックス状に画素が配置されている表示ユニット及びこの表示ユニットの前面に配置され、画素からの光線を制限して観察領域に光線を向ける複数の光線制御部を有する光学ユニットを具備している。観察領域内における光線制御部からの光線方向に実質的に対応するように複数の方向から獲得された表示されるべき被写体の画像データで表示ユニットが表示駆動される。画像データは、要素画像に分離されて各要素画像データが第1及び第2の光線制御部の夫々に対応する画素に分配されて要素画像が表示され、被写体の三次元画像が表示される。
【選択図】 図2
Description
川上直樹、稲見昌彦、前田太郎、舘しょう:バーチャルホログラムの手法によるメディアキューブの試作、日本バーチャルリアリティ学会第1回大会論文集、pp。99−100、1996 H. Hoshino et al., J. Opt. Soc. Am. A.,15(8), 2059 (1998).
第1の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第1の表示ユニット及びこの第1の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第1の領域に光線を向ける複数の第1の光線制御部を有する第1光学ユニットを具備する第1の表示装置と、
第2の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第2の表示ユニット及びこの第2の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第2の領域に光線を向ける複数の第2の光線制御部を有する第2光学ユニットを具備し、前記第1の表示装置に接して配置される第2の表示装置と、
前記第1の領域内における第1の光線制御部からの光線方向に実質的に相当する複数の方向を含む被写体の第1の画像データ及び前記第2の領域における第2の光線制御部からの光線方向に実質的に相当する複数の方向を含む前記被写体の第2の画像データで前記第1及び第2の表示ユニットを表示駆動する駆動部であって、前記第1及び第2の画像データを要素画像に分離して各要素画像データを前記第1及び第2の光線制御部の夫々に対応する前記画素に分配して前記画素に要素画像を表示させる表示駆動部と、
から構成され、前記被写体の三次元画像を異なる方向から視認させることを特徴とする三次元画像表示システムが提供される。
実施例1では、立体視に有効な水平視差のみが表示画像に付与される。液晶表示ユニットとしてQUXGA−LCD(二次元画像表示用ピクセル数3200×2400、画面サイズ422.4mm×316.8mm、デルタ配列)が用いられた。最小の駆動単位は、R、G、Bの各二次元画像表示用ピクセルであり、通常は横(水平方向)に並んだR、G、Bの3つのサブピクセルによって一つのピクセル(トリプレット)が形成されるが、本実施例の表示ユニットにおいては水平方向の二次元画像表示用ピクセル数を増やすために、縦方向に並んだR、G、Bのサブピクセルを1つの二次元画像表示用ピクセルとして扱った。二次元画像表示用ピクセルの横幅は44μm、縦の長さは132μmである。この表示ユニットの背面には、バックライトが配置され、観察者側には二次元画像表示用ピクセル幅の16倍に相当する0.704mm間隔で並んだ、水平方向にのみ視差情報を付与するための光学ユニットとしてレンチキュラーシートが組み合わされている。このレンチキュラーシートの厚み、表面曲率は、液晶表示ユニットの画素表面にほぼ焦点fが合うように設計した。表示方式としてはII方式を採用した。
縦画素数=The size H÷3÷2=400
また、水平画素ピッチが0.022μm(=Hp/2)であることから、32視差の視差画像を水平方向に配置しても、レンズ幅Wl[mm](〜要素画像幅:P)は、
Wl =(Hp/2)×Nvs=0.704
で良い。
= 2422.4
即ち、焦点距離fを最小に設計することで、領域30の幅Wbの約1/2を視域に設定した。ここで、視域は、表示装置18の表示面から視距離Lにおいて正像のみが観察され、虚像が観察されない領域に相当し、視距離Lを基準として要素画像とこの要素画像に対応する射出瞳の光学的関係から定められる。この実施例においては、視域を重視して広げた結果、図14に示すように三次元画像表示システムで三次元立体画像が表示される限界に相当する奥行き表現限界34並びに飛び出し表示限界36が制限され、三次元立体画像を表示でいる表示可能領域がかなり限定されることが予想される。ここで、奥行き表現限界34及び飛び出し表示限界36とは、三次元立体像が表示される限界を示し、表示装置によってあたかも立体像があるように表示される限界を示している。奥行き表現限界34及び飛び出し表示限界36が大きければ大きい程、奥行きを有する立体像を表示することができるが、この限界外にまで立体像が表示されると視差情報が融合せずに二重〜多重像として表示されることとなる。
ここで,構成部材より、
f = 0.6
W=422.4
が定まっていることから、
L×P=0.6×(2L+422.4)
=1.2L+253.44
∴L(P−1.2)=253.44
Lを正の値にするには、P>1.2にする必要がある.サブピクセル幅(Hp)が0.044でデルタ配列であることから,視差数(Nvs)は、
Nvs>1.2/0.044×2
>54.54
すなわち、視差数を55以上にすれば、図13における4台の三次元画像表示装置の視域が接するような設計が可能になる。ただし、これでは,隣接視域が接する視距離が遠い。よって,視距離(L)を1000と定めると、
(P−1.2)=0.2544
P=1.7544
∴Nvs>79.75
すなわち,視差数を80以上にすれば,図13の視域が達成できる。
Wl : (2L+W) = f : L
ここで,構成部材より、
Wl = 0.704
W=422.4
L=1000
が定まっていることから、
1000×0.704=g×(2×1000+422.4)
∴f(air)=0.29
∴f(N=1.5)=0.44
(実施例2)
次に、この発明の三次元立体表示装置の第2の実施例2について説明する。この第2の実施例2においても、各表示装置18には、立体視に有効な水平視差のみを付与する。液晶表示ユニットとしてQUXGA−LCD(二次元画像表示用ピクセル数3200×2400、画面サイズ422.4mm×316.8mm、ストライプ配列)が用いられた。最小の駆動単位は、R、G、Bの各二次元画像表示用ピクセルであり、通常は、図17に示すように横(水平方向)に並んだR、G、Bの3つのサブピクセルによって一つのピクセル(トリプレット)が形成されるが、本実施例2の表示装置18においては、水平方向の二次元画像表示用ピクセル数を増やすために、図18に示されるように縦方向に並んだR、G、Bのサブピクセルを1つの二次元画像表示用ピクセルとして扱った。二次元画像表示用ピクセルの横幅は、44μm、縦の長さ(Vp)は132μmである。この表示装置18の背面には、バックライト8が配置され、観察者側には、水平方向にのみレンズ効果を有するシリンドリカルレンズ4が配置されている。このシリンドリカルレンズ4は、図19に示すようにその水平ピッチが二次元画像表示用ピクセル幅の16倍に相当する間隔0.704mm(=Pa)で配列され、且つ、垂直方向については、132μm弱(=Pb)毎のセグメントに分けられ、このセグメントの主軸が二次元画像表示用ピクセルの水平幅44μmの1/2に相当する22μm(=Pc)だけシフトされ、ジグザグ状のレンチキュラーシートが組み合わされた構造となっている。具体的には、
Vp:Pb=(L+g):L
∴Pb=0.132×1000/(1000+1.6)
=0.1318
とした。これによって、視距離(L=1000mm)から観察した場合に,二次元画像表示用ピクセルの垂直ピッチ(Vp)と,レンチキュラ−シートのシフトするピッチ(Pb)を一致させることができる。このシリンドリカルレンズ4を構成するレンチキュラーシートは、液晶表示ユニットの画素表面にほぼ焦点が合うように設計した。表示方式としてはII方式を採用した。
縦画素数=The size H÷3÷2=400
ストライプ配列の二次元画像表示装置にストライプ配列のレンチキュラーシートが組み合わされると、垂直解像度の水平解像度への割り振りができないとともに、非表示部が観察されることによる輝度ムラ(モアレ)が発生する。よって、ジグザグのレンチキュラーシートが採用され、ストライプ配列の二次元画像表示装置を用いても、二次元画像表示装置の非表示部(ブラックマトリクス部)が原因の輝度分布をほぼ抑制することができた。
次に、この発明の三次元立体表示装置の第3の実施例3について説明する。この第3の実施例3においては、実施例2の構成において、視域幅VWを260mmにするように設計した。Pを要素画像幅、Lを視距離、Wを画面幅、fを焦点距離(=空気換算ギャップ)とした場合、次の関係が与えられる。まず、レンズ幅(Wl)は、
Wl = Hp×Nvs/2
= 0.044×32/2
= 0.704
Wl〜Pと近似して、
Wl : VW = f : L
VW = 260
Wl = 0.704
L = 1000
∴f = 1000×0.704/260
=2.71
f(屈折率=1.5)= 2.71×1.5
=4.06(部材+レンズ厚)
とした。レンズ厚4.06mmを実現するために、部材厚み0.9mmを考慮して、光学ユニット4としてジグザグのフレネルレンズシートと3.16mmのアクリル板を組み合わせた。視域を狭く設定したことにより、図21に示されるように、320cprの空間周波数を有する三次元画像の表示可能領域は、+16cm〜−24cmと拡大し、4枚のパネルに囲まれた領域が表示領域内に含まれるとともに、16cm外側までコンテンツを表示することができた。即ち、他の表示装置18のパネル面を外壁としたようなコンテンツ作成が可能となり、図5(a)に示したように、空間内を意識させるコンテンツ表示を実現した。また、三次元画像と認識できつつも、視域が狭いことから偽像へ移行した際の視差が少ないことから、偽像への移行が認識しにくく、図13に示したように4枚のパネルの視域端が接触するように設計しなくとも問題ないことが判明した。即ち、図13に示すような広い視域を愚直に実現した場合、視域の広さに伴う視差の大きさが原因で、偽像観察領域に移動した際の三次元画像の変化(とび)が大きく、視域をはずれたことが認識できたのに対し、視域が狭いことから、両眼視に基づく三次元画像立太視を実現しながら、偽像へ移行した際の画像のとびが少ないこととなる。即ち、実施例1の状態では、三次元画像を回りこんで見えたのに対し、本実施例の画像は、どの位置からも観察方向があまり変化しない三次元画像が観察できる状態になった。また、ところが、4枚のパネルを用意したことから、この条件でも、観察パネル面が変わることによる回り込み観察を可能とした。すなわち、回り込み観察と立体画像観察の両立を実現した。
次に、この発明の三次元立体表示装置の第4の実施例4について説明する。この第4の実施例4においては、図6に示したように、構成する三次元画像表示装置の台数を6台に増やし、6角の柱周囲に設けた以外は、実施例1と同様に実施した。パネル数を増加したことにより、隣接する視域同士を接するようにする場合、図23に示されるように視距離1mで視域幅Wb(=1577.1mm)となった。即ち、実施例1の表1に示した設計を採用し、フレネルレンズシートを用いて視域を1173.3mmと最大にしたことにより、Wbの70%を視域とすることができた。
二次元画像表示装置を4枚、図2に示されるように外側に表示部を向けて構成し、観察者の位置検出をし、この位置に応じて画像を切り替えることで、回り込み観察を可能にした。位置検出のためのカメラは柱周囲の全方位を観察する必要があったことから、少なくとも2台設ける必要が生じた。また、観察できる人間が一人に限定され、他の観察者にとっては不自然な表示となった。また画像は回り込んで観察はできるものの、立体としては認識できなかった。
実施例1と同様の構成の三次元画像表示装置1枚のみで三次元画像を表示したところ、立体として認識はできたものの、フラットパネル上に表示されているという印象はぬぐいがたく、表示されたコンテンツには存在感が乏しかった。また、当然ながら回り込んで観察することはできず、偽像への切り替わりが気になった。
Claims (8)
- 第1の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第1の表示ユニット及びこの第1の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第1の領域に光線を向ける複数の第1の光線制御部を有する第1光学ユニットを具備する第1の表示装置と、
第2の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第2の表示ユニット及びこの第2の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第2の領域に光線を向ける複数の第2の光線制御部を有する第2光学ユニットを具備し、前記第1の表示装置に接して配置される第2の表示装置と、
前記第1の領域内における第1の光線制御部からの光線方向に実質的に相当する複数の方向を含む被写体の第1の画像データ及び前記第2の領域における第2の光線制御部からの光線方向に実質的に相当する複数の方向を含む前記被写体の第2の画像データで前記第1及び第2の表示ユニットを表示駆動する駆動部であって、前記第1及び第2の画像データを要素画像に分離して各要素画像データを前記第1及び第2の光線制御部の夫々に対応する前記画素に分配して前記画素に要素画像を表示させる表示駆動部と、
から構成され、前記被写体の三次元画像を異なる方向から視認させることを特徴とする三次元画像表示システム。 - 第3の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第3の表示ユニット及びこの第3の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第3の領域に光線を向ける複数の第3の光線制御部を有する第3光学ユニットを具備し、前記第2の表示装置に接して配置される第3の表示装置を更に具備し、
前記表示駆動部は、前記第3の領域内における第3の光線制御部からの光線方向に実質的に相当する複数の方向を含む被写体の第3の画像データを要素画像に分離して各要素画像データを前記第3の光線制御部の夫々に対応する前記第3の表示装置の前記画素に分配して前記画素に要素画像を表示させて前記第3の表示装置を表示駆動することを特徴とするから構成される請求項1の三次元画像表示システム。 - 第4の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第4の表示ユニット及びこの第4の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第4の領域に光線を向ける複数の第4の光線制御部を有する第4光学ユニットを具備し、前記第3の表示装置に接して配置される第4の表示装置を更に具備し、
前記表示駆動部は、前記第4の領域内における第4の光線制御部からの光線方向に実質的に相当する複数の方向を含む被写体の第4の画像データを要素画像に分離して各要素画像データを前記第4の光線制御部の夫々に対応する前記第4の表示装置の前記画素に分配して前記画素に要素画像を表示させて前記第4の表示装置を表示駆動することを特徴とするから構成される請求項2の三次元画像表示システム。 - 前記第1、第2、第3及び第4の表示装置が囲空間を形成することを特徴とする請求項3の三次元画像表示システム。
- 前記被写体の画像データは、表示対象物及びこの表示対象物を囲む壁面の画像を含むこと特徴とする請求項1の三次元画像表示システム。
- 前記被写体が配置される空間における座標を一義的に定め、この座標及び前記表示装置の相対位置から、各表示装置に表示されるべき三次元画像を定めることを特徴とする請求項1の三次元画像表示システム。
- 前記被写体の画像データは、前記表示装置の背面領域が略透明な物質或いは壁面を構成する材質で占められ、その内に被写体が配置されている画像を含むことを特徴とする請求項1の三次元画像表示システム。
- 第5の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第5の表示ユニット及びこの第5の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第5の領域に光線を向ける複数の第5の光線制御部を有する第5光学ユニットを具備し、前記第5の表示装置に接して配置される第5の表示装置と、及び
第6の表示面内にマトリックス状に画素が配置されている第6の表示ユニット及びこの第6の表示ユニットの前面に配置されて前記画素からの光線を制限して第6の領域に光線を向ける複数の第6の光線制御部を有する第6光学ユニットを具備し、前記第5の表示装置に接して配置される第6の表示装置と、
を更に具備し、
前記表示駆動部は、前記第5及び第6の領域内の光線方向に実質的に相当する複数の方向から獲得された表示されるべき被写体の第3の画像データを要素画像に分離して各要素画像データを前記第5及び第6の光線制御部の夫々に対応する前記第5及び第6の表示装置の前記画素に分配して前記画素に要素画像を表示させて前記第5及び第6の表示装置を表示駆動することを特徴とするから構成される請求項3の三次元画像表示システム。
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